Что общего у мозга осьминога и человека

Головоногие, такие как осьминоги, кальмары и каракатицы, — высокоинтеллектуальные животные со сложной нервной системой. В Science Advances команда под руководством Николауса Раевского из Центра Макса Дельбрюка показала, что их эволюция связана с драматическим расширением репертуара микроРНК.

Если углубиться в эволюционную историю, мы встретим последнего известного общего предка человека и головоногих — примитивное червеобразное животное с минимальным интеллектом и простыми глазными пятнами. Позже животный мир разделился на позвоночных и беспозвоночных. В то время как позвоночные, особенно приматы и другие млекопитающие, развили большой и сложный мозг с разнообразными когнитивными способностями, беспозвоночные — нет. За одним исключением: головоногими.

Учёные давно задавались вопросом, почему такая сложная нервная система смогла развиться только у этих моллюсков. Теперь международная команда под руководством исследователей из Центра Макса Дельбрюка и Дартмутского колледжа (США) предложила возможную причину. В статье, опубликованной в Science Advances, они объясняют, что у осьминогов в нервной ткани присутствует значительно расширенный репертуар микроРНК (miRNAs), что отражает аналогичные процессы, произошедшие у позвоночных.

«Итак, вот что связывает нас с осьминогом», — говорит профессор Николаус Раевский, научный директор Берлинского института медицинской системной биологии Центра Макса Дельбрюка (MDC-BIMSB) и последний автор статьи. Он объясняет, что это открытие, вероятно, означает фундаментальную роль miRNAs в развитии сложного мозга.

В 2019 году Раевский прочитал публикацию о генетическом анализе осьминогов. Учёные обнаружили, что у этих головоногих происходит активное редактирование РНК — то есть они широко используют определённые ферменты, способные перекодировать их РНК.

«Это заставило меня задуматься, что осьминоги могут быть хороши не только в редактировании, но и иметь другие трюки с РНК», — говорит Раевский. Так он начал сотрудничество с морской исследовательской станцией «Станция Зоологическая Антон Дорн» в Неаполе, которая прислала ему образцы 18 различных типов тканей мёртвых осьминогов.

Результаты анализов были неожиданными: «Редактирование РНК действительно происходило, но не в тех областях, которые мы считаем интересными», — говорит Раевский. Самым интересным открытием стало драматическое расширение известной группы генов РНК — микроРНК.

Было обнаружено в общей сложности 42 новых семейства miRNA — специфично в нервной ткани и в основном в мозге. Учитывая, что эти гены консервировались в ходе эволюции головоногих, команда пришла к выводу, что они явно были полезны для животных и, следовательно, функционально важны.

Раевский исследует miRNAs более 20 лет. Вместо того чтобы транслироваться в матричные РНК, которые доставляют инструкции для производства белков в клетке, эти гены кодируют небольшие фрагменты РНК, которые связываются с матричной РНК и таким образом влияют на производство белка. Эти сайты связывания также были консервативны в ходе эволюции головоногих — ещё одно указание на функциональную важность этих новых miRNAs.

Новые семейства микроРНК

«Это третье по величине расширение семейств микроРНК в животном мире и самое большое за пределами позвоночных», — говорит ведущий автор Григорий Золотарев, украинский учёный, стажировавшийся в лаборатории Раевского. «Чтобы вы понимали масштаб: устрицы, которые также являются моллюсками, приобрели всего пять новых семейств микроРНК с тех пор, как у них был общий предок с осьминогами, — в то время как осьминоги приобрели 90».

Устрицы, добавляет Золотарев, не известны своим интеллектом.

Увлечение Раевского осьминогами началось несколько лет назад во время вечернего визита в аквариум Монтерей-Бей в Калифорнии. «Я увидел это существо, сидящее на дне резервуара, и мы провели несколько минут — как мне показалось — глядя друг на друга». Он говорит, что смотреть на осьминога совсем не то же самое, что на рыбу: «Это не очень научно, но их глаза излучают чувство интеллекта». У осьминогов, как и у людей, сложные «камерные» глаза.

С эволюционной точки зрения осьминоги уникальны среди беспозвоночных. У них есть и центральный мозг, и периферическая нервная система, способная действовать независимо. Если осьминог теряет щупальце, оно остаётся чувствительным к прикосновению и всё ещё может двигаться. Причина, по которой осьминоги в одиночку развили такие сложные функции мозга, может заключаться в том, что они очень целенаправленно используют свои щупальца — например, как инструменты для открытия раковин.

Осьминоги также демонстрируют другие признаки интеллекта: они очень любопытны, обладают памятью, могут узнавать людей и даже симпатизировать одним больше, чем другим. Исследователи теперь полагают, что они даже видят сны, поскольку меняют цвет и структуру кожи во время сна.

Существа, похожие на пришельцев

«Говорят, если хочешь встретить инопланетянина, иди нырять и подружись с осьминогом», — говорит Раевский. Теперь он планирует объединиться с другими исследователями осьминогов, чтобы создать европейскую сеть для большего обмена между учёными. Хотя это сообщество пока невелико, интерес к осьминогам во всём мире растёт, в том числе среди исследователей поведения.

По его словам, увлекательно анализировать форму интеллекта, развившуюся полностью независимо от нашей собственной. Но это непросто: «Если проводить с ними тесты, используя в качестве награды небольшие лакомства, они быстро теряют интерес. По крайней мере, так мне говорят коллеги», — говорит Раевский.

«Поскольку осьминоги не являются типичными модельными организмами, наши молекулярно-биологические инструменты были очень ограничены, — говорит Золотарев. — Поэтому мы пока не знаем точно, какие типы клеток экспрессируют новые микроРНК». Команда Раевского теперь планирует применить методику, разработанную в его лаборатории, которая позволит визуализировать клетки в ткани осьминога на молекулярном уровне.